Ці перетворювачі відносяться до підгрупи генераторних, в їх основі за допомогою механіки накопичуються електричні заряди. У результаті виділяють наступну взаємозв'язок: Q = d· P. У цьому випадку d є пьезомодулем, а P – зусиллям. Як правило, матеріалом виступає кварц, турмалін, суміші відпалу, барій, свинець. Щоб спроектувати п'єзоелектричний перетворювач, необхідно використовувати схеми навантаження: стиск, згин, зсув, розтяг.

Прямий і зворотний п'єзоефект

Для прямого ефекту характерно наступне: використовуваний кристалічний матеріал утворює решітку за рахунок заряджених іонів, розташованих у певному порядку. В процесі різнойменні частки чергуються і виробляють взаємну компенсацію, в результаті виходить електрична нейтральність. Кристали мають особливості, які позначені наступним чином:

симетрія відносно осі;

з урахуванням попереднього виду проявляється решітка з іонами, які чергуються і компенсуються.

Якщо матеріал, що використовується в процесі спрямований на силу F x , то він деформується, відстань між позитивними і негативними зарядами змінюється, і відбувається електризація напрямки в заданої осі. Все це виражається у формулі q = d 11 F x і є пропорційним для сили. Коефіцієнт пов'язаний з речовиною і його станом, має назву – п'єзоелектричний модуль. Індекси визначені силою і гранню, але якщо змінити напрямок, то ефект стане іншим. П'єзоелектричний перетворювач при прямому процесі електризує кристали під впливом зовнішніх сил. Цей ефект виникає при вплив речовин, що є електриками. Щоб виготовити вимірювальні прилади, знадобляться кристали кварцу. Тобто принцип дії п'єзоелектричного перетворювача наступний: при прямому ефекті вплив здійснюється через механіку, а при зворотному відбувається деформація кристалів.

Додаткові пьезоэффекти

Кристал може поляризуватися при впливі на платівку сил на осях X, Y. Якщо діє сила F x , то виявляється поздовжній ефект, а коли F y – поперечний, при F z зарядів не виникає. Кварцовий кристал розташовується на трьох осях координат. Щоб використовувати п'єзоелектричні вимірювальні перетворювачі, необхідно вирізати пластинку, яка вкаже на ефект. Вона має наступний опис:

висока міцність;

напруга допускається до 10 8 Н/м 2 завдяки цьому можливі великі вимірювані сили;

жорсткість і пружність;

мінімальне тертя всередині;

стабільність, яка не змінюється;

максимальна добротність виготовленого матеріалу.

Кварцові пластинки застосовуються тільки в перетворювачах, які вимірюють тиск і силу. З урахуванням твердості матеріал складно обробити, тому з нього створюють просту форму. Модуль постійний незмінною при температурі. Якщо вона збільшується, то в цьому разі відбувається зменшення модуля. П'єзоелектричні властивості зникають при температурі 573 градуси за Цельсієм.

Опис пристрою і ланцюгів вимірювання

П'єзоелектричний перетворювач тиску має наступну структуру:

мембрана, яка є дном корпусу;

обкладка зовні заземлена, а середня ізолюється кварцом;

пластини мають високий опір, з'єднані паралельно;

фольгу і внутрішню жилу кабелю скріплюють в отвір, що закривається кришкою.

Потужність на виході – мінімальна, у зв'язку з цим передбачають підсилювач з великим опором. По суті, напруга залежить від ємності ланцюга входу. Характеристики перетворювача вказують на чутливість і ємність. В основному це заряд і власні показники пристрою. Якщо розрахувати сумарно, то вийде наступна вихідна потужність: S q = q/F або U xx = d 11 ·F/C o .
Щоб розширити діапазон частоти, необхідно вимірювані низькі змінні збільшити в бік постійної часу ланцюга. Подібна дія легко здійснити за допомогою включення конденсаторів, які розташовані паралельно з пристроєм. Правда при цьому напруга виходу знизиться. Опір, який було збільшено, розширить діапазон без втрат чутливості. Але для його підвищення необхідні покращені ізоляційні якості і підсилювачі з високоомним входом.

Опис ланцюгів вимірювання

Питомий і поверхневе опору визначають власне, причому основна складова для кварцу вище, тому п'єзоелектричний перетворювач необхідно герметизувати. В результаті підвищуються якості, і поверхня захищається від вологи та бруду. Ланцюга вимірювання датчиків створювалися як високоомні підсилювачі, в основі яких використовувалися вихідний каскад на польовому транзисторі і неінвертуючий підсилювач з операційним пристроєм. Напруга надходить на вхід і вихід. Однак у цьому застарілому п'єзоелектричному перетворювачі були недоліки:

залежність напруги виходу і чутливість по відношенню до об'єму датчика;

нестабільна ємність, яка змінюється з-за температурних умов.

Напруга підсилювача і чутливість визначаються допустимою похибкою, якщо доповнити включений стабільний обсяг З 1 . Формула: y s = (?C o + ?C k )/(C o +C k +C 1 ). Після перетворення отримуємо: S=U bx /F. Якщо коефіцієнт збільшується, відповідно, і ці змінні зростають. Для вимірювальної ланцюга характерно:

постійна лінія часу;

опір R визначено вхідним посиленням, ізоляцією датчиків, кабелів, і R 3 ;

МДП-транзистори сильніше порівняно з польовими пристроями, однак мають високий рівень шуму;

R 3 стабілізує напругу, його значення вираховується як ~ 10 11 Ом.

Аналізуючи останню змінну, можна припустити, що постійна лінія часу наступна: t <= 1c. Сьогодні пристрої можуть використовувати з підсилювачами напруги п'єзоелектричні датчики для заряду.

Переважні характеристики пристроїв

П'єзоелектричний перетворювач має наступні переваги:

простота конструкційної складання;

габарити;

надійність;

перетворення напруги механіки в електричний заряд;

змінні величини, які можна швидко виміряти.

У випадку з матеріалом на зразок кварцу, який близький до ідеального стану тіла, перетворення механіки заряд електрики можливо з мінімальною похибкою від -4 до -6. Однак розвиток високоточної техніки поліпшило здатність реалізувати точність без втрат. У результаті можна прийти до висновку, що для вимірювачів сил, тиску та інших елементів найбільш придатними є ці п'єзоелектричні перетворювачі. ПЕП прискорення має наступну конструкцію:

всі матеріали кріпляться до титанового основи;

два одночасно включених п'єзоелемента з кварцу;

високоплотная інерційна маса призначена для мінімальних габаритів;

зняття сигналу за допомогою латунної фольги;

вона, в свою чергу, з'єднана з кабелем, який припаюється;

датчик закритий кришкою, навінченной у підставі;

щоб зміцнити вимірник на об'єкті, нарізають різьбу.

Незважаючи на масу, датчик досить стабільний і щільний. Працює в діапазоні 150 м/с 2 .

Конструкційні особливості перетворювачів

Якщо необхідно виготовити датчик акселерометра, то важливо правильно прикріпити пьезочувствительние пластини до основи. Ця дія здійснюється паянням. Кабель повинен відповідати наступним вимогам:

ізоляційне опір має бути високим;

екран розміщений поруч з житловою;

антивибрационность;

гнучкість.

Тобто на вхід підсилювача не повинна проводитися тряска кабелю. Вимірювальна ланцюг створюється симетрично, щоб не виникало перешкод. В датчику зв'язок несиметрична, опір висновків і корпусу з'єднані таким чином, що виходить ізоляція зовнішніх пластин. Щоб добитися потрібного результату, потрібно вимірювач виконати з непарної кількості матеріалів, які використовуються в процесі. Елементи притискаються до підсилювача крізь отвори в центральній частині і через ізолятори, які прикручені до корпусу.

Особливості приладів, що вимірюють вібрації

Щоб збільшити чутливість вимірювального приладу, необхідно застосовувати п'єзоелементи з високим модулем. Цей матеріал укладають паралельно в ряд і з'єднують металевими прокладками і пластинами. Для такого ефекту ще можуть застосовуватися речовини, які працюють на вигин. Однак вони мають низьку частоту і поступаються механіці стиснення. Матеріал може бути биморфним, його зазвичай збирають послідовно або паралельно, все залежить від позитивно розташованих осей. Як правило, це дві пластини. Якщо враховувати нейтральний шар, то над ним замість п'єзоелемента може використовуватися накладка з металу з середньою товщиною. Щоб виміряти сигнали, які рухаються досить повільно, необхідно зробити наступне:

пьезопреобразователь включають в автогенератор;

кристал перебуває на резонансній частоті;

як тільки відбудеться навантаження, показники зміняться.

Сьогодні пьезоакселерометри – вдосконалені прилади, які можуть бути високочастотними, з сильною чутливістю.

Альтернативне джерело енергії допомогою перетворювачів

Одним із знаменитих і невичерпних засобів отримання електрики є енергія хвиль. Такі станції монтують безпосередньо у водне середовище. Це явище пов'язане з сонячними променями, які нагрівають масу повітря, завдяки чому виникають хвилі. Вал даного явища має енергоємність, яка визначається по силі вітру, ширині повітряних фронтів, тривалості поривів. Значення може коливатися на мілководді або досягати 100 кВт на один метр. П'єзоелектричний перетворювач енергії хвиль працює за певним принципом. Рівень води піднімається за допомогою хвилі, в процесі повітря витискується з посудини. Потім потоки пропускаються реверсирующейся турбіною. Агрегат обертається за певним напрямом, незалежно від руху хвиль. Цей апарат має позитивну характеристику. До сьогоднішнього дня вдосконалення конструкції не прогнозується, тому що ефективність і принцип роботи доведені усіма існуючими шляхами. В процесі технічного прогресу, можливо, будуть побудовані плавучі станції.

П'єзоелектричний ультразвуковий перетворювач

Цей прилад влаштований таким чином, що не вимагає додаткових налаштувань. Він оснащений блоком пам'яті, який видає технічний результат. Відноситься до контрольно-вимірювальних апаратів. Подібні пристрої відрізняються за типом, технічним характеристикам, які складаються на основі даних про конструкції і призначення з мінімальними похибками. Всі вимоги враховуються на основі конструкції. Для всіх подібних апаратів передбачена стандартна схема створення: дефектоскоп, корпус, електроди, головний елемент, який скріплюють з підставою, жила, фольга та інші матеріали. П'єзоелектричний ультразвуковий перетворювач є корисною моделлю. Він дозволяє отримувати дані безпосередньо з допомогою звуку, встановленого на підставі пристрою.

Області застосування п'єзоелектричного перетворювача

Пристрої з прямим ефектом використовуються в приладах, які вимірюють силу, тиск, прискорення. У них високий рівень частоти та жорсткості. Апарати зі зворотним зв'язком застосовують в ультразвукових коливаннях, перетворення напруги в деформацію, врівноваження. Якщо одночасно враховують обидва ефекту, то цей варіант підходить для пьезорезонаторов, які перетворюють один вид енергії в інший досить швидко. Позитивні пристрої, включені у зворотний напрямок, працюють на автоматичних коливаннях і застосовуються в генераторах. Область їх застосування велика, так як вони мають високу стабільність при правильному створенні. Часто для досягнення потрібного ефекту і отримання вірних відомостей використовують кілька пьезорезонаторов.

Недоліки перетворювачів

В даних пристроях присутня величезна кількість позитивних сторін. Однак вони мають і негативні риси:

опір на виході – максимальне;

вимірювальні схеми і кабелі повинні бути створені на основі жорстких вимог і рекомендацій.

Розрахунок п'єзоелектричного перетворювача спочатку виводить формулу рівняння для резонансної частоти: F p = 024 ·c·. Товщина пластини: h = F p · a 2 /024 · c = 35 · 10 3 · 25 · 10 -6 /024 · 2900 = 1257 · 10 -3 m. Енергетичні характеристики обчислюються так: W ак = W ак.уд · S = 40 · 453 · 10 -3 .